基于Basic RF的智能家居系统设计

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针对实际应用需求,结合Basic-RF无线通信技术、网络通信技术和GSM通信技术设计了一种基于Basic-RF的家居环境监测预警系统。系统由信息处理子系统和无线传感器网络子系统两部分组成,无线传感器网络子系统利用CC2530的Basic-RF双向无线通信协议结合应用层算法构建,信息处理子系统以STM32单片机为核心,利用ENC28J60网络模块以及SIM900A短信模块实现数据的远程传输。用户可通过上网设备方便地监测家居环境数据,当环境异常时会及时收到报警短信。实验结果表明,该系统具有稳定性高、实用性强、灵活性好的优点,对家居环境监测和预警具有广泛的应用前景。
 
随着时代的发展,安全的生活环境成为越来越多人追求的目标;一套实用性强、灵活性好、稳定性高的家居环境监测预警系统将会得到越来越多的应用。
 
无线传感器网络是环境监测预警系统重要组成部分,无线传感器网络根据实际需要选择德州仪器CC2530芯片的Basic RF无线通信协议结合应用层算法程序构建了一种稳定、高效、满足实际需求的树状无线传感器网络。其中Basic RF由TI公司提供,它包含了IEEE 802.15.4标准的数据包的收发功能,还提供安全通信所使用的CCM-64身份验证和数据加密,为双向无线通信提供一个安全、稳定的协议。如图1所示,应用层(ApplicaTIon)算法搭建在Basic RF层之上,使无线传感器网络中的节点形成树状网络,各个节点都有自动检测重连功能,用户可以根据需求灵活增加删减网络节点,某个节点的损坏不会影响整个网络的信息传输,大大提高了系统的灵活性与稳定性。为了让用户实时方便地查看家居环境信息,利用网络技术在信息处理子系统建立显示家居环境信息的Web服务器,用户可以利用手机、电脑等上网设备登录到Web服务器中方便地查看家居环境信息,当出现环境异常时(如温度过高等),信息处理子系统会利用GSM模块及时向用户发送报警短信。系统克服了传统监测预警系统灵活性差、稳定性差、监测距离短的缺陷,实现了用户需求对家居环境信息的远程安全监控。
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1 系统的总体结构
 
环境监测预警系统由无线传感器网络子系统和信息处理子系统2部分组成。系统框图如图2所示。无线传感器网络系统采用树型结构,分为一级节点、二级节点和传感器节点。其中一级节点是无线传感器网络的核心,无线传感器网络所检测到的环境信息最终都要通过一级节点传给信息处理子系统。二级节点主要起到数据中转的作用,保证了无线传感器网络中的传感器节点可以稳定地与一级节点通信。传感器节点根据用户需求安装相应的传感器(如温湿度传感器、红外传感器等)。信息处理子系统以意法半导体的STM32芯片为核心,在STM32单片机中植入uIP1.0协议建立显示家居环境信息的Web服务器,同时配有以太网控制器ENC28J60和GSM模块SIM900A,可以让用户方便地利用上网设备连接系统所在网络查看家居环境信息,在家居环境出现异常时也可以及时收到报警短信。
 
2 系统硬件设计
 
2.1 无线传感器网络硬件设计
 
无线传感器网络节点包括一级节点、二级节点和传感器节点,这三类网络节点的硬件设计主体结构是相同的。无线传感器网络节点以德州仪器高性能低功耗的CC2530F256单片机为核心,CC2530F256集成了8051内核,256 KB系统可编程FLASH,8 KB RAM,具有丰富的外围设备,节点发射功率可达4.5 dB。在天线部分利用AN9520贴片天线,不仅保证了网络节点通讯的稳定性,而且大大减少了节点的体积,适合于家居室内网络的搭建。在无线传感器网络的传感器节点,通过CC2530的设备外设与传感器通信,传感器的类型可以根据用户的实际需求来灵活决定。在本实验中,系统选用了基于I2C总线的TCN75温度传感器,DHT11数字湿度传感器、MQ-7一氧化碳传感器、MQ-2烟雾传感器以及DYP-ME003红外人体感模块。其中当人进入DYP-ME003人体感模块感应范围时,DYP-ME003人体感模块会输出高电平告知用户检测环境中有人活动。传感器节点硬件框图如图3所示。
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2.2 信息处理子系统硬件设计
 
信息处理子系统主要由中央处理单元、存储单元、ENC28J60网络模块和GSM模块组成。中央处理单元采用意法半导体的STM32F103RET6微处理器,STM32F103RET6采用ARM Cortex M3内核,最高工作频率可达72 MHz,内置256 KB闪存以及64 KB的SRAM,并且拥有强大的外设接口,是一款低价格、低功耗、高性能的微控制器解决方案。另外,信息处理子系统配有SD卡存储单元,可以存储重要的环境数据。ENC28J60是带有行业标准串行外设接口的独立以太网控制器,符合IEEE 802.3的全部规范,数据传输速率高达10 Mb/s。GSM模块SIM900A属于双频900/1800 MHz模块,可利用AT指令对其控制,其性能稳定,外观精巧,性价比高,可以低功耗数据信息传输。信息处理子系统的硬件框图如图4所示,实物图如图5所示。
 
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3 系统软件设计
 
3.1 无线传感器网络子系统软件设计
 
无线传感器网络子系统以CC2530的Basic RF无线通信协议为基础,结合应用层算法程序构建了树状网络结构,分为一级节点、二级节点和传感器节点。一级节点是无线传感器网络的核心,传感器节点检测到的环境数据最后都要通过无线传感器网络发送至一级节点。二级节点负责数据中转,实际应用中,在家居每个房间设置一个二级节点,保证所有环境信息可以最终传到一级节点。传感器节点选择相应的二级节点作为自己的父节点,把传感器检测到的环境信息发到父节点并最终传送至网络的一级节点。无线传感器网络在建立时,首先启动一级节点,二级节点启动时依次向各个一级节点二级节点发送寻找信息,如果收到寻找回馈,则确定自己的父节点并向父节点发送自己的地址信息。传感器节点启动时依次向各个二级节点发送寻找信息,如果收到寻找回馈,则确定自己的父节点并向父节点发送自己的地址信息。在网络建立后,二级节点和传感器节点会定时向自己的父节点发送网络检测信息,如没有收到父节点发送的网络检测回馈,则自知已断开网络并重启节点重新连入网络。一级节点、二级节点和传感器节点中CC2530的软件流程图分别如图6~图8所示。
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综上可知,用户可在原有网络的基础上灵活地增加删减传感器节点,并且网络节点在断开后会重新连接网络,大大增加了网络的灵活性与稳定性。
 
3.2 信息处理子系统软件设计
 
信息处理子系统以意法半导体STM32微控制器为核心,并在STM32中植入uIP1.0协议栈,配合ENC28J60以太网控制器建立Web服务器显示家居环境信息,STM32程序流程图如图9所示。当环境数据超过警戒值时(如温度超过40℃等),STM32微控制器会向GSM模块SIM900A发送AT指令来向用户发送报警短信。最后,信息处理子系统会将家居环境信息定时存储在SD卡中以备用户查询。
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4 实验测试
 
为验证系统的可行性建立基于Basic RF的无线传感器网络家居环境监测预警系统,将信息处理子系统布置在客厅,分别对两间卧室进行温湿度、烟雾、一氧化碳和是否有人活动进行监测预警。在卧室2用电烙铁升高TCN75温度传感器周围的温度,同时有人在卧室1中DYP-ME003红外人体感模块感应范围内活动,可用示波器检测到红外人体感模块有2.5 s的高电平输出,如图10所示,证明在检测范围内有人活动。
 
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此时可登陆信息处理子系统中的Web服务器查看家居环境信息,如图11所示,用户也会收到GSM模块发送的报警短信。
 
实验证明:利用本系统用户可以对家居内温度、湿度、烟雾、一氧化碳和是否有人活动进行监测,当家居内出现环境异常时(如火灾、煤气泄漏、有外人活动等),用户可及时收到报警信息。
 
5 结论
 
家居环境检测预警系统用基于Basic RF的无线通信技术、传感器技术、网络技术及GSM技术实现了室内温湿度、一氧化碳体积分数、烟雾体积分数及是否有人活动等环境信息的实时监测预警。实验证明,本文的环境检测预警系统具备一定的实用价值,是一套低成本、稳定性强、操作方便、易于拓展的家居环境监测预警解决方案。